垃圾炉排焚烧炉的分区模型与各区的区分方法

摘要

本发明公开了垃圾炉排焚烧炉的分区模型与各区的区分方法，将垃圾炉排焚烧炉细分4个区，即床层内的干燥区A，热解区B，燃尽区C和炉膛自由区段的挥发份燃烧区D；包括干燥区A热流密度和干燥时间的计算；热解区B热解反应速率和挥发分析出时间的计算；挥发分燃烧区D燃烧时间的计算；燃尽区C的燃烬时间的计算。本发明通过对城市生活垃圾炉排焚烧炉按垃圾燃烧特性进行分区，建立相应的模型，并展示了一种较完整的的分析方法，该分析方法有利于理解垃圾焚烧燃烧技术，也可为城市生活垃圾炉排焚烧炉设计和运行提供参考。

主权项

1.垃圾炉排焚烧炉的分区模型与各区的区分方法，其特征在于包括下述步骤：(一)分区模型将垃圾炉排焚烧炉细分4个区，即床层内的干燥区A，热解区B，燃尽区C和炉膛自由区段的挥发份燃烧区D；(二)干燥区A热流密度和干燥时间的步骤如下：(1)热流密度烟气辐射热流密度：$q_{\mathrm{gr}}=5.67\frac{{ϵ}_w+1}{2}[{ϵ}_g{\left(\frac{T_g}{100}\right)}^4-{\alpha }_g{\left(\frac{T_w}{100}\right)}^4]$炉拱辐射热流密度：$q_{\mathrm{wr}}=\frac{5.67[{\left(\frac{T_w^{\prime }}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_w}{100}\right)}^4]}{\frac{1}{{ϵ}_w^{\prime }}+\frac{1}{{ϵ}_w}-1}$烟气对流热流密度：q_c＝h_s(T_g-T_w)式中：T′_w、T_w、T_g分别为炉拱温度、垃圾燃料温度、烟气温度，K；ε′_w、ε_w、ε_g分别为炉拱黑度、垃圾燃料黑度、烟气黑度；h_s为对流换热系数，W/(m²·K)；(2)水的蒸发速率：$S_{H_{2}O}=\frac{Q_{H_{2}O}}{\gamma }$(当T_w＝100℃时)$S_{H_{2}O}=k_{m}A(C_{H_{2}O,S}-C_{H_{2}O,g})$(当T_w＜100℃时)式中：γ为蒸发潜热，kJ/kg；k_m为传质系数；为固相吸收的热量，W；A为颗粒比表面积，m²；为固相中的水分的浓度，％；为气相中的水分的浓度，％；(3)干燥时间：式中：m为干燥区垃圾的质量，kg；为垃圾燃料中的水分含量，wt％。(三)热解区B热解反应速率和挥发份析出时间的步骤如下：挥发份析出时间${\tau }_{\mathrm{pyr}}=-\frac{1}{k}[\ln (V_{\infty }-V)-\ln \left(V_{\infty }\right)]$热解反应速率k＝Aexp(-E_α/R T_s)式中：V为在时刻τ时的挥发份产量，％；V_∞为挥发份的最终有效产量，％；A为频率因子，min^-1；E_a为活化能，J/mol；R为摩尔气体常数，J/(mol·K)；T_s为试样的温度，K；(四)挥发份燃烧区D燃烧时间的步骤如下：(1)动力控制型挥发份燃烧时间在挥发份燃烧区D，当有充足的氧气，且挥发份已同氧气充分混合，可忽略氧气扩散时间，反应属于动力学控制区；一氧化碳燃烧速率$\frac{d\left(\mathrm{CO}\right)}{\mathrm{d\tau }}=3\times {10}^{10}{f}_{\mathrm{CO}}{f}_{O_2}^{0.3}{f}_{H_{2}O}^{0.5}{\left(\frac{P}{\mathrm{RT}}\right)}^{1.8}\exp (-\frac{66990}{{\mathrm{RT}}_g})$挥发份燃烧时间${{\tau }_V}^{\mathrm{kinetic}}=\frac{{\mathrm{Pf}}_{\mathrm{CO}}/\mathrm{RT}}{d\left(\mathrm{CO}\right)/\mathrm{d\tau }}$式中，f_CO、分别为CO、O₂和H₂O的摩尔份额；P为气体总压，Pa；R为通用气体常数，J/(mol·K)；T为燃烧室温度，K；(2)扩散控制型挥发分燃烧时间由于挥发份在高温下容易着火，且燃烧时间很短，故一析出，立即在垃圾表面燃烧，这种反应属于扩散控制型；两边分别同时积分，扩散控制条件下挥发分燃烧所需时间：${{\tau }_v}^{\mathrm{duffuse}}=\frac{L^{0}M}{5.9\times {10}^{-8}{\mathrm{TC}}_O}{\left(\frac{1800}{T}\right)}^{0.75}{\left(\frac{d_p}{2}\right)}^2[{(\frac{8.21\times {10}^{-5}{V}^r\mathrm{\rho T}}{M}+1)}^{\frac{2}{3}}-1]$式中，C_o为氧气的摩尔浓度，mol/m³；V^r为干燥无灰基下挥发分含量，％；d_p为干燥热解后垃圾燃料颗粒直径，m；M为挥发分平均分子量，kg/mol；ρ为颗粒初始密度，kg/m³；L_o为理论空气质量，kg/kg。(五)燃尽区C的燃烬时间步骤如下炭的燃烬时间为：${\tau }_c=\frac{100-A_{\mathrm{ar}}}{100}\frac{\rho }{m{C}_{0}D}{\int }_0^{d_p}\frac{\beta d_p^3(\frac{D}{k_{O_2}(1+ϵS_i)}+\frac{d}{\mathrm{Nu}})}{d_p^3(\alpha -1)+d^3}\mathrm{dd}$式中，A_ar为垃圾中的灰含量，wt％；d_p、d分别为初始时刻、任意时刻炭的粒径，m；α为过量空气系数；C_o为空气中氧气的质量份额，取C_o＝0.232kg/kg；D为氧气扩散系数；为残炭外表面氧气消耗速率常数；ε有效渗入深度，m；Si是内表面积，m²/m³。